JP2001234706A

JP2001234706A - 高速モータ駆動圧縮膨張装置

Info

Publication number: JP2001234706A
Application number: JP2000049612A
Authority: JP
Inventors: Shuko Saji; 脩好佐治; Hiroshi Asakura; 啓朝倉; Seiichiro Yoshinaga; 誠一郎吉永; Takehiko Ishizawa; 武彦石澤; Kazumi Hasegawa; 和三長谷川; Shinichi Ozaki; 伸一尾崎
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-08-31
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP4396792B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】電動機の発熱によりロータ軸及びケーシング
が熱膨張しても、インペラとケーシング間の隙間を最小
限に維持することができ、これにより圧縮機（または膨
張機）の洩れ損失を低減し、相対的に低速の電動機を用
いて高い圧縮比（または膨張比）を高効率に得ることが
できる高速モータ駆動圧縮膨張装置を提供する。【解決手段】高速電動機１２と、１段インペラ１３及
び２段インペラ１４と、ケーシング１６とを備える。１
段インペラ１３はアブレイダブルインペラであり、アブ
レイダブルシール１７がケーシング内面に設けられてい
る。また、２段インペラ１４は翼先端部を囲むシュラウ
ド１５を有し、シュラウドの軸方向外端部１５ａが円筒
状に形成され、かつ外端部を隙間を隔てて囲む円筒形内
面１６ａがケーシングに設けられている。これにより外
端部１５ａと円筒形内面１６ａとの隙間を維持したまま
２段インペラが軸方向に移動できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速モータ駆動圧
縮膨張装置に係わり、更に詳しくは、電動機のロータ両
端にそれぞれインペラを備えた１軸２段高速モータ駆動
圧縮機と冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ圧縮機は、レシプロ圧縮機やスク
リュウ圧縮機に比較して大容量化、小型化に適しかつオ
イルフリー化が容易な特徴がある。そのためターボ圧縮
機は、工場の空気源、空気分離の原料空気、プロセス関
係の空気源等の汎用圧縮機として多用され、更に、ブレ
イトンサイクルを用いる冷凍機のヘリウムガス等の圧縮
にも用いられている。

【０００３】図２は、従来の２段ターボ圧縮機（１軸２
段歯車駆動圧縮機）の構成図であり、図３はその系統図
である。図２に示す１軸２段歯車駆動圧縮機は、電動機
１、歯車増速機２、同軸２段圧縮機３からなる。同軸２
段圧縮機３は、回転軸４の両端にそれぞれ１段インペラ
５と２段インペラ６が同軸に設けられ、この回転軸４を
歯車増速機２により高速（例えば１０万ｒｐｍ以上）で
回転駆動するようになっている。また、図３に示すよう
に、かかる２段ターボ圧縮機は、１段インペラ５で圧縮
したガスをインタークーラで中間冷却して２段インペラ
６に導き、ここで再圧縮して高圧縮比（例えば汎用圧縮
機では８以上）を得るようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の２段タ
ーボ圧縮機（１軸２段歯車駆動圧縮機）は、ガスを圧縮
する同軸２段圧縮機３は小型にできるが、電動機１及び
歯車増速機２が大型となるため全体としてはかなり大型
となる問題点があった。そのため、図４に示すように、
歯車増速機２を省略した圧縮機（以下、「１軸２段高速
モータ駆動圧縮機」と呼ぶ）が一部で提案されている。
この１軸２段高速モータ駆動圧縮機は、歯車増速機がな
く高速電動機のロータ軸の両端にインペラを備えるた
め、装置全体が小型化できる特徴がある。

【０００５】しかし、かかる１軸２段高速モータ駆動圧
縮機には、その実現のため以下の問題点があった。（１）２つのインペラの間に電動機が位置するため、電
動機の発熱により電動機のロータ軸及び圧縮機ケーシン
グの熱膨張が避けられない。このロータ軸とケーシング
の熱膨張差は、例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度に達する
ため、インペラとケーシング間に隙間が生じ、この隙間
により圧縮機の洩れ損失が過大となって性能（例えば圧
縮効率）が大幅に低下してしまう。（２）高速電動機の回転速度は、モータの強度と軸振動
のため限界があり、現状では例えば５万ｒｐｍ前後が限
界である。そのためインペラの回転速度は従来（例えば
１０万ｒｐｍ以上）より遅くなり、所定の高い圧力比
（例えば、汎用圧縮機では圧縮比８前後、冷凍機用では
圧縮比２前後）を得るために従来より大径のインペラを
必要となる。その結果、インペラの出口幅は一層狭くな
り、出口幅に対する隙間が相対的に増加して効率は更に
低下してしまう。一方、コンプレッサとタービンを備
え、コンプレッサで圧縮したガスをタービンで断熱膨張
させて低温を発生する冷凍機が開示されている（例えば
特願平９-３３０３６０号）。このような冷凍機におい
ても、上述した同じ問題点があった。

【０００６】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電動
機の発熱によりロータ軸及びケーシングが熱膨張して
も、インペラとケーシング間の隙間を最小限に維持する
ことができ、これにより圧縮機（または膨張機）の洩れ
損失を低減し、相対的に低速の電動機を用いて高い圧縮
比（または膨張比）を高効率に得ることができる高速モ
ータ駆動圧縮膨張装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、両端に
貫通したロータ軸（１１）を有する高速電動機（１２）
と、該ロータ軸の両端にそれぞれ取付けられた第１イン
ペラ（１３）及び第２インペラ（１４）と、該第１イン
ペラ及び第２インペラを囲んでそれぞれの圧縮膨張室を
構成するケーシング（１６）とを備え、前記第１インペ
ラ（１３）はアブレイダブルインペラであり、インペラ
の軸方向外端面と接触して低抵抗で磨滅可能なアブレイ
ダブルシール（１７）がケーシング内面に設けられてお
り、前記第２インペラ（１４）は翼先端部を囲むシュラ
ウド（１５）を有し、該シュラウドの軸方向外端部（１
５ａ）が円筒状に形成され、かつ該外端部を隙間を隔て
て囲む円筒形内面（１６ａ）がケーシングに設けられて
おり、これにより外端部（１５ａ）と円筒形内面（１６
ａ）との隙間を維持したまま第２インペラが軸方向に移
動可能に構成されている、ことを特徴とする高速モータ
駆動圧縮膨張装置が提供される。

【０００８】上記本発明の構成によれば、第１インペラ
（１３）がアブレイダブルインペラであり、このインペ
ラの軸方向外端面と接触して低抵抗で磨滅可能なアブレ
イダブルシール（１７）がケーシング（１６）の内面に
設けられているので、必要な高い圧力比を得るために第
１インペラを従来より大径のインペラとしても、インペ
ラとケーシングとを事実上ゼロに近い隙間に維持するこ
とができ、第１インペラの洩れ損失を最小限に抑えるこ
とができる。また、このアブレイダブルインペラはシュ
ラウドを備えないため、遠心力に耐える大径のインペラ
を容易に構成することができる。

【０００９】また、第２インペラ（１４）が翼先端部を
囲むシュラウド（１５）を有し、このシュラウドの軸方
向外端部（１５ａ）が円筒状に形成され、かつ該外端部
を隙間を隔てて囲む円筒形内面（１６ａ）がケーシング
に設けられているので、電動機の発熱によりロータ軸及
びケーシングが熱膨張しても、外端部（１５ａ）と円筒
形内面（１６ａ）との隙間を両者が接触しない最小限に
維持し、第２インペラの洩れ損失を最小限に抑えたまま
第２インペラを軸方向に移動（熱膨張）させることがで
きる。従って、電動機の発熱によりロータ軸及びケーシ
ングが熱膨張しても、第１インペラ及び第２インペラの
両方の洩れ損失を最小限に抑えることができ、相対的に
低速の電動機を用いて高い圧縮比（または膨張比）を高
効率に得ることができる。

【００１０】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
第１インペラ（１３）は第２インペラ（１４）よりも大
径であり、これにより第１インペラ（１３）による圧力
比が第２インペラ（１４）よりも高く構成されている。
この構成により、１軸２段高速モータ駆動圧縮機におい
て、２段で必要な高い圧力比を得るために、シュラウド
を有するために大径化が比較的困難な２段インペラ（１
４）による圧力比を低く設定することができる。

【００１１】また、前記第１インペラ（１３）の近傍に
ロータ軸（１１）に作用するスラスト力を支持するスラ
スト軸受（１８）が設けられる。この構成により、ロー
タ軸（１１）の熱膨張による第１インペラ（１３）の軸
方向移動を小さくすることができ、インペラとケーシン
グとを事実上ゼロに近い隙間に維持することができる。

【００１２】前記シュラウド（１５）の外端部（１５
ａ）又はケーシング（１６）の円筒形内面（１６ａ）に
ラビリンスシールが構成される、ことが好ましい。ラビ
リンスシールを構成することにより、シュラウド（１
５）とケーシング（１６）の接触を防止しながら、簡単
な構造で２段側の洩れ損失を最小限に抑えることができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。図１は、本発明の高速モー
タ駆動圧縮膨張装置の全体断面図である。この図に示す
ように、本発明の高速モータ駆動圧縮膨張装置１０は、
高速電動機１２、１段インペラ１３及び第２インペラ１
４及びケーシング１６からなる。本発明の高速モータ駆
動圧縮膨張装置は、電動機のロータ両端にそれぞれイン
ペラを備えた１軸２段高速モータ駆動圧縮機と、コンプ
レッサとタービンを同軸に備え、コンプレッサで圧縮し
たガスをタービンで断熱膨張させて低温を発生す冷凍機
の両方に適用できる。図１に示した１軸２段高速モータ
駆動圧縮機の場合、第１インペラ１３は、圧縮機の１段
インペラであり、第２インペラ１４は、圧縮機の２段イ
ンペラである。また、冷凍機の場合は、第１インペラ１
３は、圧縮機インペラであり、第２インペラ１４は膨張
タービンである。以下、高速モータ駆動圧縮膨張装置が
１軸２段高速モータ駆動圧縮機の場合の場合について説
明する。

【００１４】図１において、高速電動機１２は、好まし
くは多相誘導電動機であり、軸心を中心に回転する回転
子１２ａ（ロータ）とそのまわりを囲む固定子１２ｂか
らなる。回転子１２ａの中心軸（ロータ軸１１）は、電
動機の両側（この図で上下）に貫通して延び、２つのラ
ジアル軸受１９ａ，１９ｂで回転可能に支持されてい
る。ラジアル軸受１９ａ，１９ｂは、ロータ軸１１を非
接触で支持できる磁気軸受又はガス軸受であるのがよ
い。磁気軸受は、磁石の吸引力又は反発力で軸を浮かせ
て支持する軸受であり、特に容量の大きい大型の圧縮機
に適している。また、ガス軸受は、ガスの動圧又は静圧
により軸を浮かせて支持する軸受であり、特に容量の小
さい小型の圧縮機に適している。

【００１５】固定子１２ｂは、例えば図示しない固定子
枠内に収められた固定子鉄心と固定子巻線からなる。固
定子鉄心には、例えば鉄損を軽減するために薄板を軸方
向に積層したものを用いる。また、固定子１２ａの巻線
は、鉄心内の溝に納められ、多相電源と接続して回転磁
界を作るようになっている。

【００１６】回転子１２ａは、例えば図示しない積層鉄
心（ロータコア）と回転子巻線からなる。回転子巻線は
鉄心の溝内に納められる。回転子は、好ましくはかご形
回転子であるが、巻線形回転子であってもよい。かご形
回転子の場合、回転子溝（ｓｌｏｔ）におのおの１本づ
つの銅棒を納め、その両端を短絡環（ｅｎｄｒｉｎ
ｇ）で接続する。

【００１７】上述した構成により、固定子１２ｂは、多
相電源より交流電力を受けて回転磁界を作り、空隙を介
して誘導作用によって回転子１２ａの二次巻線に誘導電
流を発生させ、その電流と回転磁界の磁束により回転力
（フレミングの左手法則）を生じさせ、回転磁界と同一
方向に回転子１２ａを回転させることができる。この場
合、高周波電源を用いて回転磁界の回転速度を高速にす
ることにより、回転子１２ａすなわちロータ軸１１を高
速（例えば５万ｒｐｍ以上）で回転駆動することができ
る。

【００１８】なお、本発明は、多相誘導電動機に限定さ
れず、多相誘導電動機以外の高速電動機、例えば直流電
動機を用いてもよい。

【００１９】本発明において、１段インペラ１３及び２
段インペラ１４は、高速電動機１２のロータ軸１１の両
端にそれぞれ取付けられている。また、ケーシング１６
は、１段インペラ１３及び２段インペラ１４を囲んでそ
れぞれの圧縮室２０，２１を構成している。更に、１段
インペラ１３及び２段インペラ１４の周囲には、ディフ
ューザ、スクロールケーシングが設けられている。

【００２０】この構成により、図３と同様に、１段イン
ペラ１３で圧縮したガスをディフューザ、スクロールケ
ーシングを介して、図示しないインタークーラに導き、
ここで中間冷却して２段インペラ１４に導き、ここで再
圧縮して高圧縮比（例えば汎用圧縮機では８以上）を得
るようになっている。この場合、ガスの流れは、矢印
１、２、３、４の順となる。なお、インタークーラは必
ずしも必須ではなく、これを省略することもできる。

【００２１】また、本発明において、１段インペラ１３
はアブレイダブルインペラである。更に、ケーシング１
６の内面には、１段インペラ１３の軸方向外端面（この
図で下端面）と接触して低抵抗で磨滅可能なアブレイダ
ブルシール１７が設けられている。このアブレイダブル
シール１７は、テフロン（登録商標）系の樹脂、又は銀
スプレーであり、アブレイダブルインペラ１３の最下端
面をあらかじめ接触させてシール１７を磨滅させて同一
形状に加工し、実際の運転状態において、インペラ１３
とケーシング１６とを事実上ゼロに近い隙間に維持する
ようになっている。

【００２２】また、１段インペラ１３の近傍には、ロー
タ軸１１に作用するスラスト力を支持するスラスト軸受
１８が設けられている。このスラスト力は、１段インペ
ラ１３の背面（図で上面）に作用するガス圧が高いこと
から常時下向きである。スラスト軸受１８はこのスラス
ト力に抗して、アブレイダブルインペラ１３の最下端面
がケーシング１６のアブレイダブルシール１７と接触し
ないように軸方向に支持する。このスラスト軸受１８
は、ロータ軸１１を非接触で支持できる磁気軸受又はガ
ス軸受であるのがよい。磁気軸受は、磁石の吸引力又は
反発力で軸を浮かせて支持する軸受であり、特に容量の
大きい大型の圧縮機に適している。また、ガス軸受は、
ガスの動圧又は静圧により軸を浮かせて支持する軸受で
あり、特に容量の小さい小型の圧縮機に適している。

【００２３】本発明の１軸２段高速モータ駆動圧縮機１
０において、２段インペラ１４は翼先端部を囲むシュラ
ウド１５を有する。また、このシュラウド１５の軸方向
外端部１５ａが回転軸と同心の円筒状に形成されてい
る。また、ケーシング１６には、シュラウド１５の軸方
向外端部１５ａをわずかな隙間を隔てて囲む円筒形内面
１６ａが設けられ、外端部１５ａと円筒形内面１６ａと
の隙間を一定に維持したまま２段インペラ１４が軸方向
に移動可能に構成されている。この移動量は、電動機の
発熱によるロータ軸及びケーシングの熱膨張差より少な
くとも大きく設定されている。

【００２４】更に、図１に示すように、この実施形態で
は、シュラウド１５の軸方向外端部１５ａに複数のリン
グ状の溝が形成されており、２段側の洩れ損失を最小限
に抑えるように、ケーシング１６の円筒形内面１６ａと
の間にいわゆるラビリンスシールが構成されている。な
お、ケーシング１６の円筒形内面１６ａにリング状の溝
を形成してラビリンスシールを構成してもよく、或いは
この溝なしに、隙間を最小源にしたスキマシールとして
もよい。

【００２５】また、図１に示すように、この実施形態で
は、１段インペラ１３を２段インペラ１４よりも大径に
構成し、シュラウドを有するために大径化が比較的困難
な２段インペラ１４による圧力比を低くために、１段イ
ンペラ１３による圧力比を２段インペラ１４よりも高く
構成している。例えば、汎用圧縮機で圧縮比８を得るた
めに、１段インペラ１３による圧力比を４とすれば、２
段インペラ１４による圧力比を２まで下げることができ
る。同様に、冷凍機用でヘリウムの圧縮比２を得るため
に、１段インペラ１３による圧力比を１．６とすれば、
２段インペラ１４による圧力比を１．２５まで下げるこ
とができる。

【００２６】上述した本発明の構成によれば、１段イン
ペラ１３がアブレイダブルインペラであり、このインペ
ラ１３の軸方向外端面と接触して低抵抗で磨滅可能なア
ブレイダブルシール１７がケーシング１６の内面に設け
られているので、必要な高い圧力比を得るために１段イ
ンペラを従来より大径のインペラとしても、インペラと
ケーシングとを事実上ゼロに近い隙間に維持することが
でき、１段側の洩れ損失を最小限に抑えることができ
る。また、このアブレイダブルインペラはシュラウドを
備えないため、遠心力に耐える大径のインペラを容易に
構成することができる。

【００２７】また、２段インペラ１４が翼先端部を囲む
シュラウド１５を有し、このシュラウドの軸方向外端部
１５ａが円筒状に形成され、かつこの外端部を隙間を隔
てて囲む円筒形内面１６ａがケーシング１６に設けられ
ているので、電動機１２の発熱によりロータ軸１１及び
ケーシング１６が熱膨張しても、シュラウド１５の外端
部１５ａとケーシング１６の円筒形内面１６ａとの隙間
を両者が接触しない最小限に維持し、２段側の洩れ損失
を最小限に抑えたまま２段インペラを軸方向に移動（熱
膨張）させることができる。従って、電動機の発熱によ
りロータ軸及びケーシングが熱膨張しても、１段側及び
２段側の両方の洩れ損失を最小限に抑えることができ、
相対的に低速の電動機を用いて高い圧縮比を高効率に得
ることができる。

【００２８】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更でき
ることは勿論である。例えば、上述の例では、１軸２段
高速モータ駆動圧縮機について詳述したが、コンプレッ
サとタービンを備えた冷凍機にも同様に適用することが
できる。

【００２９】

【発明の効果】上述したように、本発明の高速モータ駆
動圧縮膨張装置は、電動機の発熱によりロータ軸及びケ
ーシングが熱膨張しても、インペラとケーシング間の隙
間を最小限に維持することができ、これにより圧縮機
（または膨張機）の洩れ損失を低減し、相対的に低速の
電動機を用いて高い圧縮比（または膨張比）を高効率に
得ることができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高速モータ駆動圧縮膨張装置（１軸２
段高速モータ駆動圧縮機）の全体断面図である。

【図２】従来の２段ターボ圧縮機の構成図である。

【図３】従来の２段ターボ圧縮機の系統図である。

【図４】従来の１軸２段高速モータ駆動圧縮機の模式図
である。

【符号の説明】

１電動機、２歯車増速機、３同軸２段圧縮機、４
回転軸、５１段インペラ、６２段インペラ、１０
高速モータ駆動圧縮膨張装置（１軸２段高速モータ駆
動圧縮機）、１１ロータ軸、１２高速電動機、１２
ａ固定子、１２ｂ回転子、１３第１インペラ（１
段インペラ）、１４第２インペラ（２段インペラ）、
１５シュラウド、１５ａ軸方向外端部、１６ケー
シング、１６ａ円筒形内面、１７アブレイダブルシ
ール、１８スラスト軸受、１９ａ，１９ｂラジアル
軸受、２０，２１圧縮室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０４Ｄ 29/08 Ｆ０４Ｄ 29/08 Ｄ 29/42 29/42 Ｍ (72)発明者吉永誠一郎東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者石澤武彦東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者長谷川和三東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者尾崎伸一東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内Ｆターム(参考） 3G002 HA04 HA10 3H022 AA01 BA01 BA04 BA06 CA15 CA16 CA22 CA33 CA50 CA54 CA55 3H034 AA02 AA18 BB01 BB06 CC01 CC03 CC06 DD01 DD24 DD28 EE09 EE13 EE18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両端に貫通したロータ軸（１１）を有す
る高速電動機（１２）と、該ロータ軸の両端にそれぞれ
取付けられた第１インペラ（１３）及び第２インペラ
（１４）と、該第１インペラ及び第２インペラを囲んで
それぞれの圧縮膨張室を構成するケーシング（１６）と
を備え、前記第１インペラ（１３）はアブレイダブルインペラで
あり、インペラの軸方向外端面と接触して低抵抗で磨滅
可能なアブレイダブルシール（１７）がケーシング内面
に設けられており、前記第２インペラ（１４）は翼先端部を囲むシュラウド
（１５）を有し、該シュラウドの軸方向外端部（１５
ａ）が円筒状に形成され、かつ該外端部を隙間を隔てて
囲む円筒形内面（１６ａ）がケーシングに設けられてお
り、これにより外端部（１５ａ）と円筒形内面（１６
ａ）との隙間を維持したまま第２インペラが軸方向に移
動可能に構成されている、ことを特徴とする高速モータ
駆動圧縮膨張装置。
【請求項２】前記第１インペラ（１３）は第２インペ
ラ（１４）よりも大径であり、これにより第１インペラ
（１３）による圧力比が第２インペラ（１４）よりも高
く構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の
高速モータ駆動圧縮膨張装置。
【請求項３】前記第１インペラ（１３）の近傍にロー
タ軸（１１）に作用するスラスト力を支持するスラスト
軸受（１８）が設けられる、ことを特徴とする請求項１
に記載の高速モータ駆動圧縮膨張装置。
【請求項４】前記シュラウド（１５）の外端部（１５
ａ）又はケーシング（１６）の円筒形内面（１６ａ）に
ラビリンスシールが構成される、ことを特徴とする請求
項１に記載の高速モータ駆動圧縮膨張装置。
【請求項５】前記第１インペラ（１３）は、圧縮機の
１段インペラであり、前記第２インペラ（１４）は、圧
縮機の２段インペラである、ことを特徴とする請求項１
乃至４のいずれかに記載の高速モータ駆動圧縮膨張装
置。
【請求項６】前記第１インペラ（１３）は、圧縮機イ
ンペラであり、前記第２インペラ（１４）は、膨張ター
ビンである、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
かに記載の高速モータ駆動圧縮膨張装置。